Granite River Labs
黃睿 Raymond Huang以太网络(Ethernet)为局域网络(Local area network, 简称LAN)中常使用的一种技术，而目前也是该领域占有率相当高的网络架构，相关规范由电机电子工程师学会(IEEE)所订定，并收录于IEEE 802.3标准中。本篇文章GRL将根据该标准介绍以太网络(10M/100M/1000M)与相关测试内容。
以太网络的主要概念是透过网络上多个节点(Node)传送信息，各节点间以电缆或光纤信道等媒介进行传输，每个节点都有其特定门牌号码－全球仅有一组之48位MAC地址(Media Access Control Address)，透过相异的门牌来确保以太网络上所有节点能相互确认避免造成传输错误。
想要了解以太网络，应该先熟悉以下两个专有名词：
- 网络拓扑 (network topology)
- 载波检测多重存取附碰撞侦测 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, 简称CSMA/CD)
网络拓扑(network topology)：
网络拓扑图有许多种不同的结构，常见的有星状拓扑图(Star Topology)及总线拓扑图(Bus Topological)。
星状拓扑图主要由一架主机集中控制周围的工作站，透过其他媒介如双绞线(Twisted Pair)或光纤(Optical Fiber)点对点联机形成星状架构如图1所示，对于布线及网络维护十分便利，但中央主机的质量与稳定性为此网络的关键。
图 1
总线拓扑图没有特定主机为核心，而是主要网络共享于特定传输媒介上，双绞线、同轴电缆或集线器(Hub)都经常被用于总线拓扑结构，如图2所示。布线同样具有便利性，并且新增或移除新装置时不须做特别设定，缺点则是若传输主干任一线段发生问题，将造成整体网络瘫痪。
图 2
载波检测多重存取附碰撞侦测(CSMA/CD)
CSMA/CD主要运用于总线架构，所有欲传送数据的主机(或工作站)，都需将数据广播到(Broadcasting)传输媒介上，而所有工作站都须具备接收网络上所广播的讯息之能力。
理想情况下，一段时间内只有单一讯号源传送讯息，传送数据前主机(或工作站)必须确认网络上有没有讯号在传送，如果网络上没有其他讯号源进行传送或其余工作站闲置(idle)，之后便可开始传送数据，反之就必须等待，并继续侦测。如果有两部主机(或工作站)同时传送讯号，讯号间会在网络上发生碰撞（Collision），如图3，而导致讯息错误无法被接收端(Receiver)解译。
当传输讯息发生碰撞冲突时，其余传送中的单位必须停止传送讯号，同时造成碰撞的传送端将送出扰乱讯息(Jamming Signal)，告知其余工作站已发生碰撞请勿再传送讯号，而该传送端将等待随机时间(Random Time)后再重新传送。
图 3
对于网络拓扑图与CSMA/CD机制有初步认知后，接着会介绍一开始所提到的10Base-T/100Base-TX/1000Base-T，并针对各个规格，介绍如何量测传输质量。
- 10Base-T：(IEEE 802.3 Clause 1 through Clause 20)
10代表10Mbps，Base为Baseband(基频)，T为先前提过之Twisted Pair双绞线，10Base-T常用的电缆线则为Cat-3 UTP。
10Base-T为曼撤斯特编码(Manchester Encoded)，藉由原始讯号的转态来定义0与1，其双绞线上Min需求的带宽为20M，其保持原来 CSMA/CD 的特性，但网络架构为树状拓扑(混合星状与总线)，如图4。
图 4
图4总线架构之设备为常见的集线器(Hub)，如果工作站与该联机断线，将不会影响单位的讯息收发，而且布线与网络维护上能够包含两种拓扑结构的优势。
测试方面也会对10MBase-T相关之CSMA/CD特性进行验证，并且应用等效双绞线模块TPM(Twisted Pair Model)于测试中。首先会针对讯号质量进行量测，其测试的条件定义在当传送端及接受端从连接上后，传送端所传送的Link Pulse及传输数据之讯号回到闲置状态的讯号质量，以及量测待测物与常见之接收端阻抗值，确认两者是否匹配，详细的测试项目可参考表1：
表 1
- 100Base-TX：(IEEE 802.3 Clause 21 through Clause 33)
100Base-TX 传输速率为100 Mbps，结尾X代表规格(Spec)同于美国国家标准学会所提出之X3T9.5标准。而100Base-TX 使用两对双绞线，一对发出信号而另一对接收讯号。为了传输高频的讯号，电缆通常选择带宽较高的Cat-5 UTP以确保讯号质量。
通讯协议同样为CSMA/CD架构，与10Base-T的不同的是，编码方式与Auto negotiation功能。100Base-TX的编码方式相比10Base-T更为复杂，摒弃曼撤斯特编码而改用4B/5B加上NRZI(Non-Return Zero Inverted code)后，然后再透过Multi-Level Transmission-3 (MLT-3)编码后送出如图5所示，故缆线所需带宽为 。主要的测试都会倾向于检测MLT-3的讯号完整性为主。
图 5
为了向下兼容10Base-T 的传输，100Base-TX导入了Auto-negotiation的功能，其目的为当传送端与接收端连接后，透过Auto negotiation去判断接收端装置所支持的能力，如：传输速率、讯号信道数、传输模式(全双工或半双工)，进而完成传输条件的设定。
测试方面由于差分讯号(Differential signal)的峰值对于MLT-3编码方式十分重要，故正负电压的峰值(+Vout, -Vout)还有过冲(Overshoot)等都有订定相关规范，为避免正负电压差距过大也有对称性(Symmetry)的测项。除了电压，对于时间的偏移量也有所规范，如图6所示，若时间偏移过大将导致讯号失真，导致接收端误判0与1。详细测试项目可以参考表2。
图 6
表 2
- 1000Base-T：(IEEE 802.3z, IEEE 802.3ab)
1000Base-T千兆位以太网络(Gigabit Ethernet, GbE)，通讯协议同样遵循 CSMA/CD模式，传输电缆为Cat-5 UTP，讯号传输会同时使用4对绞线进行，编码方式使用PAM-5(Pulse Amplitude Modulation 5)，如图7：
图 7
四对线同时传送或接收信号，每对线的传输频率为250MHz又因为PAM-5编码方式将两个位以一个电位表示，就此可得出每一对传输频率为125MHz。1000Base-T向下兼容100/10Base-T，并且与100Base-TX同样拥有Auto negotiation功能，通常在产品能力不相等的情况下，可以降回100Base-TX运行。1000Base-T 所使用之PAM-5编码还具有脉冲整形(Pulse-Shaping)的特性，数据经过编码后的五种电位会相似于连续讯号，除了有削减高频噪声的效果同时也会减少低频成分，就此达到强化输出讯号与噪声的相对比率。
1000Base-T的测试项目如表3, 各项目皆依据规范定义了不同的测试条件：
表 3
- Test Mode 1:
测试Pattern Test Mode 1用于确认PAM-5的五个准位，确保数据传送不发生错误，会量测A、B、C、D等点位确认电位没有发生太多偏移，以及G相对F、J相对H亦不能够衰减太多。而此波型亦有模板(Template)规范，测试讯号波型完整性确保讯号质量。
图 8
- Test Mode 2 & 3:
测试Pattern Test Mode 2, 3为 125 MHz的周期讯号如图9所示，Test Mode 2, 3在主、从模式下透过Pattern确认Auto negotiation过程中的讯号抖动量多寡，其目的为确认讯号抖动量是否符合规范以避免Auto negotiation失败。
图 9
- Test Mode 4:
测试Pattern Test Mode 4，传送端会传送经过scrambler generator polynomial产生的讯号，其为11个位具有迭代特性之讯号，如图10所示，而其迭代概念的示意图可参考图11，第12个位(含)以后会对先前的位做互斥或（exclusive or）逻辑运算后输出，详细代数运算可参照IEEE 802.3ab。透过不断迭代的测试讯号，可以验证电位失真(distortion)程度是否在IEEE规范内，亦会检查每对Pair所造成的共模电压(Common Mode)有无符合规范。
图10
图11
本篇文章对于以太网络特性和规格(10/100/1000 Base-T)做了初步的介绍，除此之外以太网络还包含了许多不同种类的规格及传输方式。
Granite River Labs (GRL)认证测试实验室的观察发现，随着Server需求量大增，网络接口的使用更加广泛，且传输速度也有所提升，测试需求量也相对增加。若想进一步了解以太网络的相关内容，后续我们将为您整理更完整的测试内容及架构。
参考文献
- IEEE Standard for Ethernet (IEEE Std 802.3™-2018)
- Keysight N5392A/N5392B Ethernet Compliance Test Application MOI
- https://linksprinterblog.wordpress.com/2014/05/14/there-is-more-to-life-than-increasing-its-speed/
- Wiki MLT-3 encoding
作者
GRL中国台湾测试工程师 黄睿 Raymond Huang
国立中国台湾大学化工所硕士毕业，拥有两年多测试经验，熟悉DisplayPort DisplayHDR, Ethernet 等测试规范。GRL 技术文章作者及演讲讲师。
本文件中规格特性及其說明若有修改恕不另行通知。
发布日期 2021/02/25 AN-210225-TW
